Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методы анализа объемного гравитационного поля

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Простолупов, Геннадий Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ГРАВИМЕТРИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ.

1.1. Учет смещения нуль-пункта гравиметра способом «плавающих графиков».

1.2. Вычисление приращений силы тяжести, полученных по результатам съемки двумя и более гравиметрами, с учетом нелинейности смещения нуль-пункта чувствительной системы гравиметров.

1.3. Определение нормального гравитационного поля Земли с учетом особенностей детальной гравиметрической съемки.

ГЛАВА 2. ВЕКТОРНАЯ ОБРАБОТКА НАЗЕМНЫХ И ПОДЗЕМНЬХХГРАВИМЕТРИЧЕСКИХ^Й^ЛЮДЕНИЙ.

2.1. Теоретические основы метода.

2.2. Расчет основных параметров векторной обработки гравитационного поля.

2.2.1. Способы выбора конфигурации окна осреднения векторов

2.2.2. Коэффициент уменьшения линейного размера окна.

2.2.3. Учет краевого эффекта на границе прямоугольной области

2.3. Определение локальной и региональной составляющих поля

2.4. Определение разностной составляющей векторного поля.

2.5. Трехмерная диаграмма поля.

2.6. Определение эффективных глубин источников аномалий.

2.7. Пространственное разделение расположенных друг под другом источников аномалий.

2.8. Классификация карт и диаграмм гравитационного поля.

2.9. Оценка точности карт и диаграмм гравитационного поля, получаемых в результате векторной обработки.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБЪЕМНОЙ ГРАВИМЕТРИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ.

3.1. Определение плотностей по результатам наземно-подземной гравиметрической съемки.

3.1.1. Определение плотности пород.

3.1.2. Определение плотностей подработанного массива по наклонным линиям.

3.1.3. Применение формулы вычисления плотности для наклонного пласта.

3.1.4. Оценка точности определения плотностей.

3.1.5. Исследование зависимости погрешности определения плотностей от горизонтального расстояния между точками наблюдений.

3.1.6. Влияние аномального вертикального градиента на результаты определения плотности.

3.1.7. Обоснование необходимости учета фигуры Земли при вычислении нормального вертикального градиента для плотностных расчетов.

3.2. Геолого-плотностное моделирование разреза на основе послойного подбора разностных компонент трансформированного векторного поля.

3.3. Интерпретация и разделение источников аномалий наземного и подземного гравитационного поля на основе совместной векторной обработки

3.4. Полярная трансформация результатов пространственной гравиметрической съемки. "

3.4.1. Вычисление вертикального градиента силы тяжести по наземной гравиметрической съемке.

Введение Диссертация по геологии, на тему "Методы анализа объемного гравитационного поля"

Актуальность темы. Для повышения эффективности геологоразведочных работ на стадии эксплуатации месторождений полезных ископаемых применяются методы наземной и подземной (объемной) гравиразведки. Задачи, решаемые с помощью этих методов - самые различные. Главная из задач -безопасное ведение горных работ. На месторождениях полезных ископаемых пластового и рудного типа задача безопасной эксплуатации может быть достигнута одним способом - всесторонним изучением неоднородностей подработанного пространства.

К подработанной толще относятся геологические пласты, глубины залегания которых изменяются в широких пределах. Поэтому применение наземной или подземной гравиметрической съемки в отдельности не даст должного эффекта. Совместная наземно-подземная съемка позволяет оптимально провести исследование толщи пород, имеющей значительное удаление как от поверхности Земли, так и от выработанного пространства. Тем более, что последние разработки в этой области дают представление о плотностном строении водозащитной толщи не только в плоскости, но и в объеме.

На территории России не уменьшается число аварий на разрабатываемых месторождениях, и нередко с необратимыми последствиями. Причина этих аварий кроется в недостаточном учете геологической обстановки эксплуатируемых рудников. Во многом недостаток информации о подработанной толще можно было бы свести к минимуму, применяя для изучения геофизические методы - в частности метод наземно-подземной гравиметрической съемки. Тем более, что ресурсы гравиразведки далеко не исчерпаны. Значительные возможности при интерпретации гравитационных полей, измеренных на поверхности и в шахте предоставляет технология векторной обработки. И здесь открываются новые перспективы для успешного решения задач, направленных на безопасную эксплуатацию месторождений.

Целью диссертационной работы является разработка методов совместной наземно-подземной (объемной) интерпретации поля силы тяжести на основе гравиметрической съемки в условиях геологического пространства месторождений полезных ископаемых. Обработка и анализ поля должны проводиться в трехмерном пространстве, результаты обработки должны быть информативными и содержательными.

Основные задачи исследований.

1. Разработать методики по определению количественных параметров источников гравитационных аномалий в объеме подработанного и околошахтного пространства.

2. Исследовать возможности трехмерного разделения гравитационного поля на основе совместного анализа данных наземной и подземной съемки.

3. Изучить возможности применения технологии векторной обработки для объемной интерпретации подземных площадных гравиметрических наблюдений.

4. Провести оценку точности методов анализа объемного гравитационного поля.

Защищаемые положения исследований.

1. Метод определения эффективных плотностей подработанного массива по результатам наземно-подземной (объемной) гравиметрической съемки.

2. Метод совместной векторной обработки результатов наземной и подземной гравиметрической съемки, позволяющий проводить интерпретацию и разделение источников аномалий в объеме подработанного пространства, с оценкой точности результатов трехмерной векторной обработки.

3. Плотностные модели, отражающие распределение гравитирующих масс, как результат послойного подбора разностных компонент трансформированного векторного поля.

4. Метод определения множества геометрических центров на основе вычисления полного градиента силы тяжести, позволяющий осуществить их трехмерную визуализацию. Метод назван полярной трансформацией векторов.

Научная новизна.

1. Определения плотности пород по точкам, удаленным по вертикали, проводятся давно. В диссертации предложен новый способ определения средних плотностей горного массива не по вертикальным, а по наклонным линиям, одновременно во всем объеме подработанного пространства. При этом, значения плотностей присваиваются каждой точке системы наземных профилей. Возможность таких вычислений основана на введении весовых функций по площади вертикальных плоскостей, в которых определяются плотности.

2. Найден оператор связи между горизонтальными размерами окна осреднения векторов полного горизонтального градиента силы тяжести и глубиной (толщиной) пласта, характеризуемого остаточной (локальной) составляющей поля. Это позволило проводить привязку по эффективным глубинам двумерных и трехмерных диаграмм квазиплотностей, что резко повысило информативность представляемых результатов.

3. Определение разностной функции векторов полного горизонтального градиента силы тяжести, основанной на вычитании двух остаточных полей, вычисленных с разными коэффициентами трансформации, позволяет провести локализацию источников аномалий в пространстве. В случае наземно-подземной съемки становится возможным проводить объемное послойное сканирование подработанной толщи на предмет обнаружения общих источников аномалий и разделения источников аномалий относительно уровня подземных наблюдений.

4. Определение гравитационных аномалий и вычисление плотностей в настоящее время проводится с учетом среднего планетарного вертикального градиента, вычисляемого по широте ср=45°. В работе обоснована необходимость учета фигуры Земли (широты местности) при вычислении нормального вертикального градиента силы тяжести при обработке наземно-подземных и детальных гравиметрических съемок.

5. Предложен метод трансформации векторов полного градиента силы тяжести в систему положительных и отрицательных полюсов. Такой подход предоставляет возможность провести объемную визуализацию множества особенностей исследуемой толщи с одновременным разделением этих особенностей по признаку положительных либо отрицательных избыточных плотностей источников гравитационных аномалий.

Практическая ценность. Впервые реализовано объемное исследование подработанной толщи и околошахтного пространства по результатам площадной гравиметрической съемки на двух уровнях наблюдений - наземном и подземном. Применительно к месторождениям полезных ископаемых пластового типа, предложенные методы дают возможность исследовать геологическое строение водозащитной толщи рудников, что ведет к своевременной оценке геологической ситуации отрабатываемого участка. Это позволяет определить приоритет по закладочным работам на отработанных площадях и выбрать участки дальнейшей выемки полезных ископаемых с наименьшим риском нарушения водозащитной толщи либо обрушения пород.

Реализация работы. Изложенные в диссертации методы анализа объемного гравитационного поля и оптимизации первичной обработки использовались при обработке и содержательной интерпретации наземно-подземых гравиметрических съемок, проводимых на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей.

Дополнена и усовершенствована программа векторной обработки. Создана программа по вычислению и учету значений нормального гравитационного поля для площадных наземных и подземных съемок. Разработана программа вычисления эффективных плотностей в объеме подработанного массива.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались: на Международной конференции «Горные науки на рубеже XXI века» (Екатеринбург - 1997); на Научных сессиях Горного института УрО РАН: «Комплексное освоение недр Западного Урала», «Проблемы горного недроведения и системологии» (Пермь-1998, 1999); на региональной научной конференции «Геология западного Урала на пороге XXI века» (Пермь-1999); на Международной конференции «Проблемы безопасности и совершенствования горных работ (Мельниковские чтения)» (Пермь-1999); на

Всероссийском совещании «Мониторинг геологической среды на объектах горнодобывающей промышленности» (Березники-1999); на Научно-техническом семинаре «Ворпосы инженерно-геологических, инженерно-экологических и инженерно-геодезических изысканий в Уральском регионе» (Екатеринбург-1999); на 1-й Всероссийской конференции «Геофизика и математика» (Москва-1999); на 26 и 27 сессиях Международного семинара им. Д.Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» (Екатеринбург-1999, Москва-2000); на Уральской молодежной научной школе по геофизике, посвященной 300-летию горно-геологической службы России (Екатеринбург -2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы (124 страницы, 61 рисунок, 9 таблиц).

Заключение Диссертация по теме "Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых", Простолупов, Геннадий Валерьевич

Основные результаты диссертационных исследований:

1) Создано два метода учета нелинейности смещения нуль-пункта гравиметра, повышающих качество первичной обработки гравиметрических наблюдений;

2) Разработана схема вычисления и введения поправок за нормальное гравитационное поле Земли, упрощающая учет поправки при обработке площадных съемок;

3) Изучена возможность векторной обработки подземных площадных наблюдений, их сопоставления с результатами векторной обработки наземных наблюдений с целью обнаружения общих источников аномалий и разделения источников аномалий относительно уровня подземных наблюдений. Сделан вывод о целесообразности совместной наземно-подземной векторной обработки;

4) Проведена классификация карт и диаграмм векторной обработки по признакам особенностей их формирования и интерпретационных возможностей. Описаны последние разработки в технологии векторного сканирования, значительно расширяющие возможности пространственной локализации источников аномалий и улучшающие восприятие результатов обработки.

5) Разработан метод по оценке точности карт и диаграмм, полученных в результате векторной обработки гравитационного поля;

6) Создан метод определения эффективных плотностей подработанного массива, благодаря которому можно сделать предварительную оценку характера плотностных неоднородностей водозащитной толщи;

7) Разработана технология геолого-плотностного моделирования разреза, основанная на послойном подборе разностных компонент векторного поля -при наличии априорной геологической информации позволяет оценить эффективные глубины, избыточные плотности, и взаимное положение источников аномалий;

8) Получен вывод о целесообразности ведения гравиметрической обработки с нормальным вертикальным градиентом силы тяжести, вычисленным с учетом широты участка съемки;

9) Разработан метод полярной трансформации векторов полного градиента силы тяжести - трехмерное представление положительных и отрицательных полюсов на множестве элементарных треугольных полигонов градиентного поля.

Многие принципы и технологии, представленные в работе могут быть успешно применены и при обработке гравитационного поля, измеренного на поверхности.

Считаю, что результаты проведенных исследований помогут повысить интерпретационные возможности наземно-подземной гравиметрической съемки. Это позволит увеличить эффективность гравиразведки в комплексе геофизических методов, направленных на успешное решение различных геологических задач, связанных с бесперебойной и безопасной эксплуатацией многих месторождений полезных ископаемых.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наземно-подземная гравиметрическая съемка является частью комплекса геофизических методов, направленных на изучение строения водозащитной толщи и подработанного пространства. Совместная обработка наземной и подземной гравиметрической съемки предоставляет возможность применения разнообразных методов интерпретации. Однако, в настоящее время наиболее успешными становятся разработки, реализованные в современных компьютерных программах, обладающих характерной визуализацией результатов и трехмерностью изображения - именно в таком виде представляемая информация лучше воспринимается специалистами в области разведки и добычи полезных ископаемых. Существенным здесь является переход от узкоспециальных геофизических параметров к конкретным геологическим характеристикам. И в случае наземно-подземных исследований такой подход особенно важен.

В настоящей работе представлены методы анализа объемного гравитационного поля и несколько приемов повышающих качество первичной обработки.

Библиография Диссертация по геологии, кандидата технических наук, Простолупов, Геннадий Валерьевич, Пермь

1. Абрамов А.Н., Дьячков Н.П., Любимов A.A. Применение функции локализации для интерпретации гравитационных и магнитных аномалий// Разведочная геофизика. М.: Недра, 1978. Вып.83. С. 71-76.

2. A.c. 1163297 СССР, МКИ530 G Ol V 07/00. Способ гравиметрической разведки/ М.С.Чадаев, В.М.Новоселицкий, А.С.Маргулис, Е.М.Козлов. Опубл. 23.06.85. Бюл. N 23. 3 с.

3. Березкин В.М. Применение гравиразведки для поисков месторождений нефти и газа. М.:Недра, 1973. -264 с.

4. Большаков В.Д., Маркузе Ю.И. Практикум по теории математической обработки геодезических измерений. М.: Недра, 1984, 352 с.

5. Большаков В.Д., Левчук Г.П., Багратуни Г.В. Справочник геодезиста, (в двух книгах). М.:Недра, 1975. 1056 с.

6. Бровар В.В., Магницкий В.А., Шимберев Б.П. Теория фигуры Земли. М.: Издательство геодезической литературы. 1961. 256 с.

7. Бурдюков P.A. Таблицы нормальных значений силы тяжести./ Л.: Красный печатник ,1961. 113с.

8. Бурьян Н.Р., Юньков A.A., Анищенко Н.М. и др. Подземная гравиразведка. Л.: Недра, 1979. 159 с.

9. Веселов К.Е. Гравиметрическая съемка. М.: Недра, 1968. - 511 с.

10. Гершанок В.А. Получение гравитационных аномалий максимальной точности// Построение физико-геологической модели и системный подход при истолковании результатов геофизических исследований. Тез. докл. научн,-техн. конф. Пермь: Изд. ПТУ, 1985,- С.89-97.

11. Варламов A.C., Филатов В.Г. Определение плотности горных пород и геологических объектов. М.:Наука, 1983.-216 с.

12. Вишневский П.В., Вахромеев Г.С., Шаманский И.Л. Геофизическиие методы поисков и разведки неметаллических полезных ископаемых. М.: Недра, 1984. -223 с.

13. Гайдаев ПЛ. Математическая обработка геодезических наблюдений. М.: Недра, 1977.288 с.

14. Гайдаев П.А., Большаков В.Д. Теория математической обработки геодезических измерений. М.:Недра, 1969. 400с.

15. Горожанцев A.B. О вычислении поправки за влияние рельефа при помощи интерполяции значений, заданных по профилю в трех точках. В кн. Вопросы обработки и интерпретации геофизических наблюдений, сборник статей N13.-Пермь: Изд. ПТУ, 1975. -С.165-167.

16. Горожанцев C.B. Об учете фактической плотности пород при обработке гравиметрических наблюдений// Геофизические методы поисков и разведки месторождений нефти и газа.- Пермь: Изд. ПГУ, 1985.-С.89-97.

17. Закатов П.С. Курс высшей геодезии. Изд. 4, перераб. и доп. М.: Недра, 1976. 511 с.

18. Инструкция по гравиразведке. Единые технические требования, ч.5. М., 1980. 80с,

19. Карякин В. А. Методы решения геодезических задач на эллипсоиде. М.: Недра, 1984 . 321с.

20. Казинский В.А. Об учете влияния топографических масс на подземные гравиметрические измерения. Изв. АН СССР, сер. Геофизика, 1957, 1984.

21. Костицын В.И. Методы и задачи детальной гравиразведки. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1989. - 128 с.

22. Копнин М.В. Об учете влияния дневного рельефа при подземных измерениях с гравиметром. В кн. Материалы по вопросам горного дела. -Харьков, 1964.

23. Кутин В.А., Новоселицкий В.М. Развитие системы «ВЕКТОР». . Сессия Горного ин-та УрО РАН, 1998. С 70-73.

24. Маловичко А.К. Основной курс гравиразведки, часть первая. Пермь: Изд. ПГУ, 1966.-326 с.

25. Маловичко А.К. Основной курс гравиразведки, часть вторая. Пермь: Изд. ПГУ, 1968.-341 с.

26. Маловичко A.K. Гершанок В.А. Методы геолого-геофизической интерпретации гравитационных аномалий. Учебное пособие по спецкурсу. -Пермь: ПГУ, 1982,- 100 с.

27. Маловичко А.К. Костицин В.И. Гравиразведка. М.: Недра, 1992. 357с.

28. Маловичко А.К., Тарунина O.J1. Использование высших производных при обработке и интерпретации результатов геофизических наблюдений. М.: Недра, 1981. 186 с.

29. Мудрецова Е.А. Гравиразведка. Справочник геофизика. М. Недра, 1981, 397с.

30. Мудрецова Е.А. Методика подземных гравиразведочных работ с гравиметрами на рудных месторождениях. М.: Изд. ОНТИ ВИЭМС, 1962. -35 с.

31. Мудрецова Е.А. Поправки за влияние рельефа местности при высокоточных измерениях с гравиметрами в шахтах, штольнях и на дневной поверхности. М.: Изд. ОНТИ ВИЭМС, 1963. - 90 с.

32. Новоселицкий В.М., Маргулис A.C. К обоснованию наземно-подземной гравиметрии.-ДАН АН УкрССР, 1991,-N8. С. 115-118.

33. Новоселицкий В.М., Простолупов Г.В. Векторная обработка гравиметрических наблюдений с целью обнаружения и локализации источников аномалий// Геофизика и математика. М.: ИОФЗ РАН, 1999. С. 104107.

34. Новоселицкий В.М. Интерпретация гравитационных аномалий в условиях латерального изменения плотности осадочных толщ. Диссертация на соискание ученой степени доктора геол.-мин. наук. Пермь, 1975. 368 с.

35. Новоселицкий В.M., Маргулис A.C., Чадаев М.С. Использование гравиметрической градиентной съемки для локализации плотностных неоднородностей// Геофиз. Работы при per. и геологосъемочн. иссл. на Урале. -тез. докл. Свердловск, 1989. С 33-35.

36. Новоселицкий В.М., Чадаев М.С., Погадаев C.B. Векторное сканирование потенциальных полей инструмент глубинных исследований// Горные науки на рубеже XXI века: Тез. докл. Междунар. конф. Москва-Пермь 12-19 сентября 1997 г. Пермь, 1997. С. 147.

37. Погадаев C.B. О вычислении полного градиента аномалии силы тяжести при проведении наземно-подземной гравиметрии. Тезисы докладов международного семинара им. Д.Г. Успенского (26 сессия). - Екатеринбург: УГГА, 1999. С47.

38. Погадаев C.B. Изучение закономерностей и особенностей трансформации гравитационного поля в псевдоразрезы. Сессия Горного ин-та УрО РАН, 1998. С 76-79.

39. Погадаев C.B. Изучение возможностей метода векторного сканирования// Проблемы горного недроведения и систематизации: Материалы научн. сессии Горного ин-та УрО РАН. Пермь, 1999. С.28-30.

40. Погадаев СБ., Вольфсон О.Х., Юзвак В.П. Об учете рельефа земной поверхности при проведении НПГС на Верхнекамском месторождении калийных солей// Горная геофизика, VI международный семинар 7-9 июля 1993 г. Пермь, 1993. С.19-21.

41. Простолупов Г.В. Вычисление нормального гравитационного поля для площадной гравиметрической съемки// Горные науки на рубеже XXI века: Материалы международной конференции 1997 г. Екатеринбург, 1998. С. 377379.

42. Простолупов Г.В. Учет смещения нуль-пункта гравиметра способом «плавающих графиков»// Геофизические методы поисков и разведки месторождений нефти и газа: Межвуз. сб. науч. тр./Перм. Ун-т,- Пермь, 1999. -С.66-70.

43. Простолупов Г.В. Расширенные возможности наземно-подземной гравиметрической съемки// Проблемы безопасности и совершенствования горных работ: тез. докл. Международн. конф. Пермь, 1999. С. 184-185.

44. Простолупов Г.В. Два аспекта повышения качества определения параметров гравитационного поля// Комплексное освоение недр Западного Урала: мат. научн. сессии Горного ин-та УрО РАН. Пермь, 1998. С. 80-82.

45. Простолупов Г.В. Наземно-подземная гравиметрическая съемка. Основные задачи и результаты// Уральсая молодежная Научная школа по геофизике: сборник докл. Екатеринбург, 2ООО. С. 65-67.

46. Сорокин Jl.В. Гравиметрия и гравиметрическая разведка. М.: Гостоптехиздат, 1953. - 484 с.

47. Тархов А.Г., Бондаренко В.Ф., Коваленко H .Д. и др. Подземная геофизика. Л.: Недра, 1979. 159 с.

48. Томчаков Л.И. Опыт определения плотности пород промежуточного слоя. В кн. Вопросы геофизических исследований на Украине. - Киев, 1972. С.119-122.

49. Успенский Д.Г. Гравиразведка. Л.:Недра, 1968. 331 с.

50. Шванк O.A., Люстих E.H. Интерпретация гравитационных наблюдений -M.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1947. 400 с.

51. Чадаев М.С., Новоселицкий В.М., Маргулис A.C. Методические рекомендации по применению векторной градиентной съемки с гравиметрами.-Пермь: КамНИИКИГС, 1991,- 37 с.

52. Шимбирев Б.П. Теория фигуры Земли. М., Недра, 1975, 432с.

53. Юзвак В.П., Погадаев C.B. Технология интерпретации результатов наземно-подземной гравиметрической съемки (НПГС)// Геологические и минеральные ресурсы Западного Урала. Тез. докл. научн. конф. 13-15 апреля 1993 г. С. 86.

54. Юньков A.A., Бурьян HP., Анищенко Н.М. Подготовка к интерпретации гравитационных аномалий, измеренных в горных выработках Кривбаса// Геофиз. сборник АН УССР. 1978. С. 64-67.1. ФОНДОВАЯ

55. Гравиметрические исследования на участке сейсмического явления 1997 г на БКРУ-2. Отчет по договорным темам. Авт.: Новоселицкий В.М., Щербинина Г.П., Погадаев C.B., Простолупов Г.В. и др. - Пермь, 1999 - Фонды Горного института УрО РАН.

56. Гравиметрический мониторинг на участке обрушения пород в горных выработках СКРУ-2. Отчет по договорным темам. Авт.: Новоселицкий В.М., Щербинина Г.П., Погадаев C.B., Простолупов Г.В. и др. - Пермь, 1999 - Фонды Горного института УрО РАН.

57. Гравиметрический мониторинг подработанной террритории г.Березники. Отчет по договорным темам. Авт.: Новоселицкий В.М., Щербинина Г.П., Погадаев C.B., Простолупов Г.В. и др. - Пермь, 1998 - Фонды Горного института УрО РАН.